操作系统课程设计.doc

操作系统课 程 设 计 书 学院 专业 班级 题目 操作系统实验报告 教师 学生 目 录一、 实验题目与要求1实验一 进程创建及进程通信1实验二 生产者-消费者问题1实验三 存储管理实验1二、总的设计思想及环境语言、工具等1三、数据结构与模块说明23.1数据结构设计23.2模块说明2四、源程序及运行结果44.1、实验一 进程创建及进程通信4exam1：创建子进程示例14exam2：创建子进程示例25exam3：利用管道实现单向通信5exam4：利用管道实现父子进程双向通信64.2、实验二 生产者-消费者问题7exam5：实现进程互斥示例程序7exam6：实现进程同步示例程序11exam7：生产者和消费者问题154.3、实验三 存储管理实验20exam8：请求页式存储管理页面置换算法比较20五、自我评价和总结25六、课程设计教材及主要参考资料261、 实验题目与要求实验一 进程创建及进程通信实验目的：掌握linux进程创建的基本方法及进程间的通信实验要求：利用fork()创建子进程，利用pipe()实现进程间的通信。实验二 生产者-消费者问题实验目的：掌握进程之间的同步与互斥实验要求：利用信号量实现生产者-消费者问题。实验三 存储管理实验实验目的：通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计，了解虚拟存储技术的特点，掌握请求页式管理的页面置换算法。实验要求：(1).通过随机数产生一个页地址流，共640页(2).用户内存容量为4页到32页(3).计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率。a.FIFO 先进先出算法b.LRU 最近最少使用页面算法c.OPT 最佳淘汰算法二、总的设计思想及环境语言、工具等总的设计思想：1.利用fork()创建子进程，利用pipe()实现进程间的通信。2.利用信号量实现生产者-消费者问题。3.(1)通过随机数产生一个页地址流，共640页 (2)用户内存容量为4页到32页 (3)计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率。a.FIFO 先进先出算法b.LRU 最近最少使用页面算法c.OPT 最佳淘汰算法环境语言:cygwin环境C语言工具: cygwin2.738三、数据结构与模块说明3.1数据结构设计a.实验一1.利用fork()创建一个新进程。2.利用pipe()实现进程间的通信。使子进程与父进程之间实现同步。 3.子进程将信息写入管道并向父进程发出信号，父进程接到信号后从管道中读取信息，并将信息输出，如果读取失败则输出“fork error”。b.实验二生产者进程的功能：生产东西，供消费者消费；消费者进程的功能：消费生产者生产的东西。生产者生产产品并存入缓冲区供消费者取走使用，消费者从缓冲器内取出产品去消费；在生产者和消费者同时工作时，必须禁止生产者将产品放入已装满的缓冲器内，禁止消费者从空缓冲器内取产品。c.实验三系统功能流程图：3.2模块说明a.实验一系统功能模块文字说明：子进程将管道的写入口加锁；将信息“Im fine, and you?”输入到变量line中,n=1,2；将line中的信息写入管道；将管道写入口解锁；exit(1)；父进程利用pipe()创建管道；利用fork()创建子进程1；利用fork()创建子进程2；等待从管道中读出子进程1写入的数据，并显示在屏幕上；等待从管道中读出子进程2写入的数据，并显示在屏幕上；exit(1)；图3.2.1 进程的创建及通信模块演示b.实验二系统功能模块图：图3.2.2 生产消费者进程模块演示c.实验三系统功能模块图：图3.2.3 页式存储管理模块划分四、源程序及运行结果4.1、实验一 进程创建及进程通信exam1：创建子进程示例1/父进程创建一个子进程，父进程显示金木水火土，子进程显示日月星辰,多次运行该程序会得到不同的运行结果。#include #include #include main()int pid,n=0;srand(getpid();/*设置随机种子*/if (pid=fork()!=0)while(n5)printf(%d,n+);printf(金木水火土n);sleep(rand()%3); /睡眠elsewhile(n5)printf(%d,n+);printf(日月星辰n);sleep(rand()%3);运行结果：exam2：创建子进程示例2/子进程改变了全局变量globa 和局部变量vari的值。通过调试运行，体会进程的运动轨迹。#include #include #include int globa=4;int main(void)pid_t pid;int vari=5;printf(before forkn);if (pid=fork()0)printf(fork errorn);exit(0); else if (pid=0) globa+;vari-; printf(Child changed the vari anf globa.n); else printf(Parent didnt changed the vari and globa.n);printf(globa=%d,vari=%dn,globa,vari);运行结果：exam3：利用管道实现单向通信#include #include #include #define MAXLINE 80int main(void)int n,fd2;pid_t pid;char lineMAXLINE;if (pipe(fd)0)printf(pipe error!n);exit(1);if (pid=fork()0)close(fd0);write(fd1,How are you?n,15);printf(Parent: successfully!n);else close(fd1);n=read(fd0,line,MAXLINE);printf(Child:Reading from the pipe:%sn,line);运行结果：exam4：利用管道实现父子进程双向通信#include #include #include #define MAXLINE 80int main(void)int n,fd12,fd22;pid_t pid;char lineMAXLINE;if (pipe(fd1)0)printf(pipe1 error!n);exit(1);if (pipe(fd2)0)printf(pipe2 error!n);exit(2);if (pid=fork()0)close(fd10);close(fd21);write(fd11,How are you?n,15);printf(Parent: successfully!n);n=read(fd20,line,MAXLINE);printf(Parent:Reading from the pipe:%sn,line);else close(fd11);close(fd20);n=read(fd10,line,MAXLINE);printf(Child:Reading from the pipe:%sn,line);write(fd21,Im fine, and you?n,30);printf(Child:successfullyn);运行结果：4.2、实验二 生产者-消费者问题exam5：实现进程互斥示例程序/*由于cgywin模拟器软件没有完全模拟linux的功能，比如信号量，内存共享、消息缓冲器等，所以实现进程的同步和互斥较为困难。本指导书提供了一个模拟的P和V操作，利用它可实现进程的互斥与同步，本模拟程序在运行过程中可能会出现一些问题，感兴趣的同学可参考本程序，共同研究探讨，逐步完善。源程序 sem.h 模拟P和V操作，在使用信号量时，先通过set_sem_init(int order,int value) 函数对信号量赋初值，参数order说明信号量序号，value为信号呈的初值。P操作的调用为p(int order),order 为信号量的序号。V操作的调用为v(int order),order 为信号量的序号，注意本程序对信号量的使用是通过序号来实现的！ */#include #include#include #include #include #include #include #include #define BUF 128#define BUF1 136set_sem_init(int order, int value)int fp; char pv5=pv0,buf1024; buf3=value;buf1=0;buf2=0; pv2+=order; if (fp=open(pv,O_RDWR|O_CREAT)0) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);pv2+=order;if (fp=open(pv,O_RDWR)0)exit(1);read(fp, buf,BUF1); (char)buf3-;if (char)buf30) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);if (fp=open(pv,O_RDWR)0)exit(1);read(fp, buf,BUF1);if (sit0) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);pv2+=order;if (fp=open(pv,O_RDWR)0) exit(1);read(fp, buf,BUF1); (char)buf3+;if (char)buf3=0)buf2+;lseek(fp,0,0);write(fp,buf,BUF1);close(fp);remove(pvfl);main()int pid,n=0;set_sem_init(1,1);if (pid=fork()0)printf(create process errorn);exit(3);elseif (pid=0)while (n4)printf(%d will enter CS!n,getpid();p(1);/p和v操作之间的代码为CSprintf(%d in CS!n,getpid();sleep(1);printf(%d out CS!n,getpid();v(1); n+;elsewhile(n4)printf(tt%d will enter CS!n,getpid();/p和v操作之间的代码为CSp(1); printf(tt%d in CS!n,getpid();sleep(1);printf(tt%d out csn,getpid();v(1); n+;运行结果：exam6：实现进程同步示例程序/实现同步的示例程序，两个进程，一个为写者，一个为读者,一个缓冲器/（注：用文件模拟缓冲器）#include #include#include #include #include #include #include #include #define BUF 128#define BUF1 136set_sem_init(int order, int value)int fp; char pv5=pv0,buf1024; buf3=value;buf1=0;buf2=0; pv2+=order; if (fp=open(pv,O_RDWR|O_CREAT)0) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);pv2+=order;if (fp=open(pv,O_RDWR)0)exit(1);read(fp, buf,BUF1); (char)buf3-;if (char)buf30) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);if (fp=open(pv,O_RDWR)0)exit(1);read(fp, buf,BUF1);if (sit0) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);pv2+=order;if (fp=open(pv,O_RDWR)0) exit(1);read(fp, buf,BUF1); (char)buf3+;if (char)buf3=0)buf2+;lseek(fp,0,0);write(fp,buf,BUF1);close(fp);remove(pvfl);main()int pid,n=0,fp,message; char file10=buffer,buf1024;/ 创建一个文件模拟一个缓冲器 if (fp=open(file,O_RDWR|O_CREAT)0) exit(1); close(fp); chmod(file,666); /设置两个信号量，第一个信号量表示缓冲器空，初值为1，第二个信号量表示缓冲器中是否/准备好数据，初值为0set_sem_init(1,1);set_sem_init(2,0);if (pid=fork()0)printf(create process errorn);exit(3);elseif (pid=0)while (n4)printf(%d will write message!n,getpid();/write messagep(1);message=rand()%127;buf0=message;printf(%d write message: %dn,getpid(),message);if (fp=open(file,O_RDWR)0) exit(1);write(fp,buf,10);close(fp);printf(%d write message OK!n,getpid();v(2); n+;elsewhile(n4)printf(%d will read message!n,getpid();/write messagep(2);if (fp=open(file,O_RDWR)0) exit(1);read(fp,buf,10);close(fp);printf(%d read message: %dn,getpid(),buf0);printf(%d read message OK!n,getpid();v(1); n+;运行结果：exam7：生产者和消费者问题/消费者进程有K个进程，生产者进程有M个,一个有N个单元的缓冲器/（注：用文件模拟缓冲器）#include #include#include #include #include #include #include #include #define BUF 128#define BUF1 136#define N 8#define M 2#define K 2set_sem_init(int order, int value)int fp; char pv5=pv0,buf1024; buf3=value;buf1=0;buf2=0; pv2+=order; if (fp=open(pv,O_RDWR|O_CREAT)0) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);pv2+=order;if (fp=open(pv,O_RDWR)0)exit(1);read(fp, buf,BUF1); (char)buf3-;if (char)buf30) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);if (fp=open(pv,O_RDWR)0)exit(1);read(fp, buf,BUF1);if (sit0) sleep(1);flfp=open(pvfl,O_RDWR|O_CREAT);close(flfp);pv2+=order;if (fp=open(pv,O_RDWR)0) exit(1);read(fp, buf,BUF1); (char)buf3+;if (char)buf3=0)buf2+;lseek(fp,0,0);write(fp,buf,BUF1);close(fp);remove(pvfl);void producer();void consumer();main()int pid,n=0,fp,message,i; char file10=buffers,buf1024;/ 创建一个文件模拟一个缓冲器if (fp=open(file,O_RDWR|O_CREAT)0) exit(1); buf0=0;buf1=0;write(fp,buf,128);close(fp); chmod(file,666); /设置两个信号量，第一个信号量表示缓冲器单元个数，初值为N，第二个信号量表示缓冲器中是否/准备好数据，初值为0，第三个信号量实现互斥，互斥地访问缓冲器。set_sem_init(1,N);set_sem_init(2,0);set_sem_init(3,1);/创建生产者进程for (i=0;iM;i+)if (pid=fork()0) printf(Create producer process error!n);exit(2);if (pid=0)producer();exit(0);/创建消费者进程for (i=0;iK;i+)if (pid=fork()0) printf(Create consumer process error!n);exit(2);if (pid=0)consumer();exit(0);for (i=0;i(M+K);i+)wait(NULL);exit(0);void producer()char buf1024,file10=buffers;int message,fp,n=0;srand(getpid();/*设置随机种子*/while(n3)message=rand()%127;p(1);p(3);printf(%d write buffer: %dn,getpid(),message);if (fp=open(file,O_RDWR)0) exit(1); read(fp,buf,128);bufbuf0+2=message; buf0=(buf0+1)%N;lseek(fp,0,0);write(fp,buf,128);close(fp);printf(%d write okn,getpid();v(3);v(2);n+;void consumer()char buf1024,file10=buffers;int message,fp,sit,n=0;while(n3)p(2);p(3);printf(%d read buffer.n,getpid();if (fp=open(file,O_RDWR)0) exit(1); read(fp,buf,128);message=bufbuf1+2;buf1=(buf1+1)%N;lseek(fp,0,0);write(fp,buf,128);close(fp);printf(%d read ok! message is %dn,getpid(),message);v(3);v(1);n+;运行结果：4.3、实验三 存储管理实验exam8：请求页式存储管理页面置换算法比较#include #include#include #include #include #include #include #include #define BUF 128#define BUF1 136#include #define total_page_address 640 /*作业的地址流数*/#define total_page 32 /*作业的页面数*/int pagetotal_page_address;void FIFO(int mem_frame);void LRU(int mem_frame);void OPT(int mem_frame);main()int i,p,fl;srand(getpid();/*设置随机种子*/*产生页地址流,假设有50%的指令是顺序执行的*/for (i=0;itotal_page_address;i+)pagei=-1;for (i=0;itotal_page_address;i+=2) fl=0;while (fl=0)p=rand()%total_page_address;if (pagep=-1)fl=1;pagep=rand()%total_page; p=0;for (i=0;itotal_page_address;i+)if (pagei=-1) pagei=p;else p=pagei;for (i=4;i=32;i+) /*用户内存工作区从4 个页面到32 个页面*/printf(%2d page frames ,i);FIFO(i);LRU(i);OPT(i);printf(n);void FIFO(int mem_frame)int page_message100,i,ptr=0,j; int invalid=0,exist;/*page_message 存放页面信息,ptr指向最早进入的页面*/for (i=0;i100;i+) page_messagei=-1; /*-1表示无页面*/for (i=0;itotal_page_address;i+)/查找该页是否在内存exist=0;for (j=0;jmem_frame;j+)if (page_messagej=pagei)exist=1; /该页在内存中if (exist=0) /该页不在内存中，失败invalid+;for (j=0;j=mem_frame)page_messageptr=pagei; /淘汰最早进入的页面ptr=(ptr+1) % mem_frame;printf(FIFO: %6.4f ,1-(float)invalid/total_page_address);void LRU(int mem_frame)int page_message100,i,ptr=0,j,m,n; int invalid=0,exist,sit1,sit2;/*page_message 存放页面信息,ptr指向最早进入的页面*/for (i=0;i100;i+) page_messagei=-1; /*-1表示无页面*/for (i=0;itotal_page_address;i+)/查找该页是否在内存exist=0;for (j=0;jmem_frame;j+)if (page_messagej=pagei)exist=1; /该页在内存中if (exist=0) /该页不在内存中，失败invalid+;for (j=0;j=mem_frame)/查找最久未用页面进行淘汰 exist=3333;for (m=0;m=0;n-)if(page_messagem=pagen) sit1=n;break;if (existsit1) exist=sit1;sit2=m;page_messagesit2=pagei;printf(LRU: %6.4f ,1-(float)invalid/total_page_address);void OPT(int mem_frame)int page_message100,i,ptr=0,j,m,n; int invalid=0,exist,sit1,sit2;/*page_message 存放页面信息,ptr指向最早进入的页面*/for (i=0;i100;i+) page_messagei=-1; /*-